CN102313900A - 三维地震采集观测系统的激发位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维地震采集观测系统的激发位置确定方法，包括以下步骤：对目标区域进行激发并采用三维弹性波波动方程的数值模拟方法来计算目标区域的照明度结果；对照明度结果进行分析以确定激发位置和与激发位置对应的接收点，其中，如果目标区域中具有照明度低于预定数值或照明度分布不均匀的照明阴影区，则在与所述照明阴影区对应的激发位置处增加激发源。本发明的方法可以帮助目标导向的地震观测系统的设计，进而提高野外数据的质量，提高偏移剖面的质量。

Description

三维地震采集观测系统的激发位置确定方法

技术领域

本发明涉及地震勘探野外采集技术领域，更具体地，涉及一种在地震勘探中使用的基于三维弹性波和照明度分析的地震采集观测系统的激发位置确定方法。

背景技术

地震资料的野外采集是地球物理勘探的基础，其质量直接影响到最终的勘探效果。通常在确定勘探任务和收集勘探区域基本资料以后，需要进行地震采集观测系统的设计。目前三维地震采集观测系统设计的两个主要核心问题是：提高采集信号的品质(以分辨率和振幅保真作为评判标准)，同时还能有效地衰减各种噪声。为了达到上述目的，基本观测系统设计流程如下所示：

(1)通过测井信息模拟地震道记录，然后根据目标尺寸选择地震记录的最大频率Fmax；

(2)利用零偏移距VSP信号随着深度衰减的规律，估计品质因子Q值；

(3)根据在第(2)步得到的Q值，作出最大有效频率随时间变化图(F-T图)；

(4)作出波阻抗随着孔隙度变化图，并以此确定目标区域地震信号需要达到的信噪比；

(5)参考第(3)步得到的F-T图，根据期望的目标深度或时间的Fmax确定激发源强度；

(6)对少量实测地震数据进行叠加偏移，计算结果剖面的信噪比S/N；

(7)根据目标信噪比(一般为5)与第(6)步得到的信噪比S/N，计算所应达到的覆盖次数；

(8)计算满足Fmax、分辨率与倾角的面元大小范围；

(9)计算最大的最小炮检距Xmin与最大炮检距Xmax取值范围；

(10)计算偏移孔径取值范围；

(11)综合考虑前面给定的采集参数取值范围，确定各个采集参数(如面元大小、覆盖次数、最大炮检距Xmax、排列长宽等等)；

(12)测试参数是否满足最小脚印原则与叠前时间偏移(PSTM)的要求；

(13)检查设备是否满足设计的要求；

(14)野外测试。

常规地震观测系统和采集参数设计的普遍目的是提高地震反射波品质，落实构造和小断块，满足勘探的需要。实施方案和手段主要是根据以往勘探的经验，结合勘探新区的地质条件进行调整，进一步明显改善的余地不大，取得突破性进展的潜力很小。由于石油勘探在向深海、盆地边缘、山前带等复杂地区转移，同时老区勘探面临的主要地质问题(例如，断层发育，构造复杂和储层薄等老问题)也没有得到很好的解决，因此，设计不合理的野外采集观测系统采集得到的三维地震资料会使得后续的地震资料处理和解释工作面临诸多难题。

例如，经地震资料处理后断面波、侧面波仍不能达到正确归位，加之圈闭面积小，地震反射波品质较差，小断块和构造落实困难，导致花费大量人力物力进行采集得到的地震资料不能满足实际生产的需要。因此，需要一种有效的三维地震采集观测系统设计方法来解决这些技术问题。其中，在三维地震采集观测系统设计中，激发位置(即放炮点)的确定尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维弹性波和照明度分析的地震采集观测系统的激发位置确定方法。地震照明分析是面向地质目标的地震正演方法，是认识和研究地震波能量在地下复杂构造中传播的有效手段。通过对目标地质模型进行地震照明分析，可清楚识别特定位置激发后来自地质目标的反射，有助于目标导向的观测系统设计，进而提高野外数据的质量，最终提高偏移剖面的质量。

本发明的基本思路是：采用三维弹性波波动方程数值模拟方法计算得到的照明度结果，指导三维地震采集观测系统的激发位置确定，提供对基本观测系统进行优化的理论依据，使得优化后的观测系统能够更加适应实际地质构造情况的需要。

根据本发明，提供了一种确定三维地震采集观测系统的激发位置布局的方法，包括以下步骤：对目标区域进行激发并采用三维弹性波波动方程的数值模拟方法来计算目标区域的照明度结果；对照明度结果进行分析以确定最佳的激发位置和与所述最佳的激发位置对应的接收点，其中，在确定最佳的激发位置的步骤中，如果目标区域中具有照明度低于预定数值或照明度分布不均匀的照明阴影区，则在与照明阴影区对应的激发位置处增加激发源。

根据本发明的一方面，根据以下的等式将时空域三维声波方程变换到频率空间域：

$\frac{\∂\tilde{U}}{\∂z}=\±i\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{v}\right)}^2-(\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})}\tilde{U},$

并通过有限差分法对该等式求解以计算目标区域的照明度结果。

在确定最佳的激发位置的步骤中，将激发源设置在目标区域的照明阴影区中，通过在目标区域的地表检测激发源产生的波场的强度来确定与照明阴影区对应的激发位置。

在确定与所述最佳的激发位置对应的接收点的步骤中，将目标区域以外的后向波场设置为零，并根据在地表接收到的反射能量的强度来确定与最佳的激发位置对应的接收位置。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出的是深度偏移与照明度结果的关系示意图；

图2示出的是作为示例的某一地区的速度模型和不同位置的垂直切片；

图3为示出的是与图2对应的单源照明图切片的照明分析图；

图4示出的是通过目标区域的照明度分析确定的最佳激发位置；

图5示出的是通过目标区域的照明度分析确定的最佳接收位置；

图6示出的是根据本发明的三维地震采集观测系统的激发位置确定方法的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明根据本发明的地震采集观测系统的激发位置确定方法的处理过程。

首先，基于基本的地震采集观测系统对目标区域进行激发并计算目标区域的照明度结果。这里，基本的地震采集观测系统是现有的地震采集观测系统，照明度指的是地震波在被观测的目标区域内产生的能量强度分布。本发明利用三维弹性波波动方程数值模拟的方法来计算目标区域的照明度结果。基于三维弹性波波动方程的数值模拟可以反映地震波的动力学特征，其中，采用双程波方法来适用于各种复杂的地质构造。

具体地，本发明利用交错网格高阶差分方法和三维弹性波波动方程数值模拟方法的传播算子来提高精度和效率，具体包括：

波场延拓算子采用频率空间域傅里叶有限差分算子。将时空域三维声波方程变换到频率空间域，其形式为：

$\frac{\∂\tilde{U}}{\∂z}=\±i\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{v}\right)}^2-(\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})}\tilde{U}---\left(1\right)$

方程(1)可以描述单向波在任意速度分布情况下的地震波传播过程。上式右端取正号时，对应下行波；反之，对应上行波。

然后，利用有限差分法求解方程(1)，必须对其中的根式进行展开。对(1)式取双程分裂，可得到以下方程(2)：

$\frac{\∂\tilde{U}}{\∂z}=\±i\frac{\mathrm{\ω}}{v}[1+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_n{\left(\frac{v}{\mathrm{\ω}}\right)}^2(\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})}{1+b_n{\left(\frac{v}{\mathrm{\ω}}\right)}^2(\frac{{\∂}^2}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})}]\tilde{U}---\left(2\right)$

方程(2)可分裂为以下两式：

$\frac{\∂\tilde{U}}{\∂z}=\±i\frac{\mathrm{\ω}}{v}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_n{\left(\frac{v}{\mathrm{\ω}}\right)}^2(\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})}{1+b_n{\left(\frac{v}{\mathrm{\ω}}\right)}^2(\frac{{\∂}^2}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})}\tilde{U}---\left(3\right)$

$\frac{\∂\tilde{U}}{\∂z}=\±i\frac{\mathrm{\ω}}{v}\tilde{U}---\left(4\right)$

方程(3)又可以分裂为N个如(5)所示的方程，重写方程(3)后得到任意变速情况下的频率空间域上下行波场深度外推方程(6)

$\frac{\∂\tilde{U}}{\∂z}+b_n\frac{v^2}{{\mathrm{\ω}}^2}(\frac{{\∂}^2}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})\frac{\∂\tilde{U}}{\∂z}\±i\·a_n\·\frac{v}{\mathrm{\ω}}(\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})\tilde{U}=0(n=\mathrm{1,2},...,N)---\left(5\right)$

$\frac{\∂\tilde{U}}{\∂z}\stackrel{\‾}{+}i\frac{\mathrm{\ω}}{v}\tilde{U}=0---\left(6\right)$

(5)式的差分方程为，

$[I-\left({\mathrm{\β}}_{1x}\stackrel{\‾}{+}i{\mathrm{\β}}_{2x}\right)T_x-\left({\mathrm{\β}}_{1y}\stackrel{\‾}{+}i{\mathrm{\β}}_{2y}\right)T_y]{\tilde{U}}_{i,j}^{n+1}=[I-({\mathrm{\β}}_{1x}\±i{\mathrm{\β}}_{2x})T_x-({\mathrm{\β}}_{1y}\±i{\mathrm{\β}}_{2y})T_y]{\tilde{U}}_{i,j}^n---\left(7\right)$

其中： ${\mathrm{\β}}_{1x}=\frac{b_n{v}^2}{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\Δ}{x}^2},$ ${\mathrm{\β}}_{2x}=\frac{a_n\mathrm{v\Δz}}{2\mathrm{\ω\Δ}{x}^2},$ ${\mathrm{\β}}_{1y}=\frac{b_n{v}^2}{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\Δ}{y}^2},$ ${\mathrm{\β}}_{2y}=\frac{a_n\mathrm{v\Δz}}{2\mathrm{\ω\Δ}{y}^2}$

I＝(0，1，0)，T_x＝T_y＝(-1，2，-1)，a_n与b_n为高阶差分系数，

(6)式的解析解为： ${\tilde{U}}_{i,j}^{n+1}={\tilde{U}}_{i,j}^n{e}^{\±i\frac{\mathrm{\ω}}{v}\mathrm{\Δz}}---\left(8\right)$

误差补偿在每一个外推层中进行，当外推步长很小时，可以认为层内横向速度变化很小，补偿可以在频率波数域中进行。对深度层网格索引判断，若为偶数层则进行当前深度层波场值计算后再按照下式进行波场补偿，若为奇数层则仅进行当前深度层的波场延拓计算，不进行波场补偿，以提高计算效率。补偿方程为：

$\tilde{U}(z+\mathrm{\Δz})=\tilde{U}\left(z\right)e^{\±i\frac{\mathrm{\ω}}{v}[\sqrt{1-{\left(\frac{v}{\mathrm{\ω}}\right)}^2({k_x}^2+{k_y}^2)}-1]\mathrm{\Δz}}{e}^{\±i\frac{\mathrm{\ω}}{v}\frac{\mathrm{\η}{\left(\frac{v}{\mathrm{\ω}}{\hat{k}}_x\right)}^2}{1+(\mathrm{\γ\Δ}{x}^2+\mathrm{\μ}{\left(\frac{v}{\mathrm{\ω}}\right)}^2)k_x^2}\mathrm{\Δz}}{e}^{\±i\frac{\mathrm{\ω}}{v}\frac{\mathrm{\η}{\left(\frac{v}{\mathrm{\ω}}{\hat{k}}_y\right)}^2}{1+(\mathrm{\γ\Δ}{y}^2+\mathrm{\μ}{\left(\frac{v}{\mathrm{\ω}}\right)}^2)k_y^2}\mathrm{\Δz}}$

                                      (9)

为当前深度值的波场值，

为下一个网格点的波场值，k_x，k_y分别是x和y方向的空间波数，μ和γ为体变系数，η为粘滞性系数，Δx、Δy和Δz分别为x、y和z方向的间距。

由于三维弹性波的波动方程的波场快照与射线路径具有很好的类比关系，因此可以通过这一特点来定性的分析复杂地质条件下地震波的传播。若对一个给定的地质模型进行波动方程正演，进而进行叠前偏移处理得到叠前偏移剖面，其同相轴的能量应该与覆盖次数成正比，因此通过提取目标层位的能量可以定量的分析地震数据的真实覆盖次数。

接下来，在得到了目标区域的照明度结果之后，对照明度结果进行分析以确定需要增加激发源的位置和对应的接收点。具体地，对于照明度低的照明阴影区，需要增加与其对应的激发源的密集度，以提高照明阴影区的照明能量。下面将对照明度结果的分析进行具体描述。

对照明度结果的分析从正演模拟的角度描述了地震波能量在介质中的传播和分布，而地震偏移则描述了波场在地下介质中传播的逆过程，其目的是将同相轴正确归位和绕射波收敛。照明阴影区在偏移剖面上主要有两个表现：1)不成像，即同相轴看不到或者振幅很弱；2)不聚焦，即同相轴不能完全归位或收敛。

图1示出的是深度偏移与照明度结果的关系示意图。图1a示出的是SEG/EAGE 2D盐丘速度模型，其中，水平和垂直方向采样点数分别为Nx＝1290和Nz＝300，空间采样间隔均为12.192m。图1b为增益后的叠后深度偏移剖面，采用Fourier有限差分(FFD)单程波算子进行波场延拓。图1c中，由于盐丘高速度的屏蔽作用，地震波能量未能传播到盐丘下侧而产生阴影区(见A和B处)。对比图1b和1c，照明能量弱的地方，成像质量差；照明能量强的地方，成像质量好。这说明地震照明分析结果与深度偏移结果有良好的一致性，因此，利用照明度分析方法可以指导观测系统设计，有助于改善最终的地震处理成果。

为利用照明分析预测偏移剖面的效果，对比二者结果后，本发明提出对于照明度的两个标准：1)照明能量强，即，照明度高于预定阈值；2)照明能量分布均匀。在目标区域内，照明能量强说明地震波能量可传播到目标区域，且来自目标区域的有效反射信号在地表被接收；反之，有效信号不能被检测到或淹没在噪音中。照明能量分布均匀说明同相轴连续且振幅变化幅度不大；反之，同相轴不连续且振幅变化剧烈，十分不利于岩性物性反演。通过上面两个标准，可以利用照明度分析结果来指导观测系统设计。

在此以SEG/EAGE 2D盐丘模型为例。图1c中，由于海底的强波阻抗对比导致强反射，地震波能量主要集中在上层介质中，很少能量透射到下覆介质中。相对应地，图1b中的深度偏移剖面未增益时仅能看到海底界面，即第一个反射界面，其下的反射振幅也迅速减小。在图1c中，对应位置的照明分布较为均匀(不考虑盐丘作用区域)，因此，可以从增益后的剖面上看到连续性较好的同相轴，断层清晰。在照明弱的区域，即盐丘下部，同相轴未能正确归位且较大程度上偏离了真实位置且没有聚焦。

理想情况下，照明度大且分布均匀，即在目标区域内，能量强度大且均匀分布，其成像效果好。照明度弱说明地震波能量不能传播到目标区域内并且反射到地表被接收；照明分布不均匀说明成像同相轴强度不连续，不利于岩性分析。目标区域的照明度很弱，而且分布十分不均匀，必然导致成像效果不理想。图2示出的是作为示例的某一地区的速度模型和不同位置的垂直切片。图3为单源照明图切片的照明分析图，分别对应速度切片图2b和图2c，激发源坐标为(6250，2500)m，激发源主频15Hz，计算频带范围为14-16Hz。从图3可以看出，由于目标区域小断块发育，地震波能量散射严重，照明分布不均匀，这是成像效果不理想的主要原因。

为了提高目标区域的照明度，需要加密激发源激发。这可通过目标照明实现，即将激发源置于目标区域的照明阴影区内，这样，产生的波场向上传播至地表，从而根据在地表处接收到的能量强度来确定接收激发源产生的波场的最佳位置，从而逆向得到最优的炮点激发区域。作为简化模型，选定一规则立方体做为目标区域。如图4所示，由于复杂构造的影响，其所确定的照明阴影区为非规则形状。可通过将激发源设置在该照明阴影区中来在图4的立方体的表面(即，地表)确定接收到来自该照明阴影区的激发源的能量最强的位置，该位置即可被认为是对于照明阴影区的照明度贡献最大的最佳的激发源位置。

在确定最佳激发区域后，需要明确对应每个炮点的最优接收范围，可利用目标接收实现。该方法在地表激发，通过激发而产生的波场向下传播，令目标区域以外的后向波场为零(即，将目标区域以外的区域的反射系数设置为零)，在地面接收来自目标区域的反射能量强度，并根据反射能量的强度来确定与最佳的激发位置对应的接收位置。图5示出的是选定激发源坐标为(6200，1500)m时的目标接收位置的范围。从图5可以看出，由于受复杂构造的影响，目标接收位置的分布十分不均匀。

图6示出了根据本发明的三维地震采集观测系统的激发位置确定方法的流程图。如图6所示，首先，在步骤610，按照预定的激发位置布局对目标区域进行激发并采用三维弹性波波动方程的数值模拟方法来计算目标区域的照明度结果。这里，预定的激发位置布局可以是预先确定的激发位置布局，例如，可以是在目标区域内的10*10的炮点位置，每一行(或每一列)的10个炮点之间具有预定的炮点间距，各行之间也具有预定的行间距。

接下来，在得到目标区域的照明度结果的图像之后，在步骤620，对照明度结果进行分析以确定最佳的激发位置和与所述最佳的激发位置对应的接收点。

具体地，如果目标区域中具有照明度低于预定数值或照明度分布不均匀的照明阴影区，则在与照明阴影区对应的激发位置处增加激发源。为此，首先将激发源设置在目标区域的照明阴影区中，通过在目标区域的地表检测激发源产生的波场的强度来确定与照明阴影区对应的激发位置。然后，将目标区域以外的后向波场设置为零，在最佳的激发位置的炮点处进行震源激发，并根据在地表接收到的反射能量的强度来确定与最佳的激发位置对应的接收位置。

利用本发明的方法，确定针对目标区域的有利激发位置及其对应的接收范围。该发明具有高效、快速和实用性强的特点，可用于优化观测系统设计和资料处理流程，最终提高成像质量。

虽然已经参照本发明的若干示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种改变。

Claims (4)

1.一种确定三维地震采集观测系统的激发位置的方法，包括以下步骤：

按照预定的激发位置布局对目标区域进行激发并采用三维弹性波波动方程的数值模拟方法来计算目标区域的照明度结果；

对照明度结果进行分析以确定最佳的激发位置和与所述最佳的激发位置对应的接收点，

其中，在确定最佳的激发位置的步骤中，如果目标区域中具有照明度低于预定数值或照明度分布不均匀的照明阴影区，则在与照明阴影区对应的激发位置处增加激发源。

2.如权利要求1所述的方法，其中，根据以下的等式将时空域三维声波方程变换到频率空间域：

$\frac{\∂\tilde{U}}{\∂z}=\±i\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{v}\right)}^2-(\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})}\tilde{U},$

并通过有限差分法对该等式求解以计算目标区域的照明度结果。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在确定最佳的激发位置的步骤中，将激发源设置在目标区域的照明阴影区中，通过在目标区域的地表检测激发源产生的波场的强度来确定与照明阴影区对应的激发位置。

4.如权利要求3所述的方法，其中，在确定与所述最佳的激发位置对应的接收点的步骤中，将目标区域以外的后向波场设置为零，在确定的最佳激发位置进行激发，并根据在地表接收到的反射能量的强度来确定与最佳的激发位置对应的接收位置。

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